Corrente eléctrica

fluxo de carga eléctrica por unidade de tempo que percorre un condutor

Unha corrente eléctrica é un movemento dun conxunto de portadores de carga eléctrica, xeralmente electróns, dentro dun material condutor. Estes movementos veñen impostos pola acción da forza electromagnética, cuxa interacción coa materia é a base da electricidade. A corrente eléctrica ou intensidade eléctrica é o fluxo de carga eléctrica por unidade de tempo que percorre un material condutor de corrente.[1] Na física, a corrente eléctrica é o fluxo líquido de calquera carga eléctrica. As cargas eléctricas poden ser negativas (electróns) ou positivas (buracos), aínda que a corrente convencional foi definida, por razóns históricas, como un fluxo de cargas positivas. Hoxe, con todo, coñecemos que en materiais como os metais a circulación é de cargas negativas e en dirección oposta; aínda así, a definición da corrente convencional segue sendo válida. Os raios son exemplos de corrente eléctrica, ben como o vento solar, porén o máis coñecido, probabelmente, é o fluxo de electróns a través dun condutor eléctrico, xeralmente metálico.

Ao falarmos de corrente eléctrica, desde un punto de vista xeométrico, podemos considerar tipicamente tres situacións:

Símbolo

editar

O símbolo convencional da corrente é I, que procede da expresión francesa intensité du courant, (intensidade da corrente).[2][3] A intensidade da corrente adoita denominarse simplemente corrente.[4] O símbolo I foi utilizado por André Marie Ampère, que dá nome á unidade de corrente eléctrica, na formulación da lei de forza de Ampère (1820).[5] A notación viaxou de Francia a Gran Bretaña, onde se converteu en estándar, aínda que polo menos unha revista non cambiou de usar C a I ata 1896.[6]

Convencións

editar
 
Os electróns, os portadores de carga dun circuíto eléctrico, flúen en sentido contrario ao da corrente eléctrica convencional.
 
O símbolo dunha batería nun diagrama electrónico.

A dirección convencional da corrente, tamén coñecida como corrente convencional,[7][8] defínese arbitrariamente como a dirección na que flúen as cargas positivas. Nun material condutor, as partículas cargadas en movemento que constitúen a corrente eléctrica denomínanse portadores de carga. Nos metais, que constitúen os cables e outros condutores na maioría dos circuítos eléctricos, o núcleo atómico dos átomos cargado positivamente mantense nunha posición fixa, e os electróns cargados negativamente son os portadores de carga, libres de moverse polo metal. Noutros materiais, especialmente os semicondutores, os portadores de carga poden ser positivos ou negativos, dependendo do dopante utilizado. Os portadores de carga positivos e negativos poden mesmo estar presentes ao mesmo tempo, como ocorre nun electrólito nunha célula electroquímica.

Un fluxo de cargas positivas dá a mesma corrente eléctrica, e ten o mesmo efecto nun circuíto, que un fluxo igual de cargas negativas en sentido contrario. Posto que a corrente pode ser o fluxo de cargas positivas ou negativas, ou de ambas, necesítase unha convención para a dirección da corrente que sexa independente do tipo de portador de carga. Os portadores de carga negativa, como os electróns (os portadores de carga nos arames metálicos e moitos outros compoñentes de circuítos electrónicos), polo tanto, flúen na dirección oposta ao fluxo de corrente convencional nun circuíto eléctrico.[7][8]

Sentido da corrente

editar

Unha corrente nun cable ou elemento eléctrico pode fluír en calquera das dúas direccións. Ao definir unha variable   para representar a corrente, debe especificarse a dirección que representa a corrente positiva, normalmente mediante unha frecha no diagrama esquemático do circuíto.[9][10]:13 Isto chámase a dirección de referencia da corrente  . Cando se analizan circuítos eléctricos, a dirección real da corrente a través dun elemento específico do circuíto é usualmente descoñecida ata que a análise é completada. En consecuencia, as direccións de referencia das correntes asígnanse a miúdo arbitrariamente. Cando se resolve o circuíto, un valor negativo para a corrente implica que a dirección real da corrente a través dese elemento do circuíto é oposta á dirección de referencia elixida.[n. 1]:29

Lei de Ohm

editar
Artigo principal: Lei de Ohm.

A lei de Ohm establece que a corrente que atravesa un condutor entre dous puntos é directamente proporcional á diferenza de potencial entre os dous puntos. Introducindo a constante de proporcionalidade, a resistencia,[11] chégase á ecuación matemática habitual que describe esta relación: `[12]

 

onde I é a corrente a través do condutor en unidades de amperes, V é a diferenza de potencial medida a través do condutor en unidades de volts, e R é a resistencia do condutor en unidades de ohms. Máis especificamente, a lei de Ohm establece que a R nesta relación é constante, independente da corrente.[13]

Corrente alterna e continua

editar

Véxase tamén: Guerra das correntes.

Nos sistemas de corrente alterna (CA), o movemento da carga eléctrica inverte a súa dirección periodicamente. A corrente alterna é a forma de enerxía eléctrica máis comunmente fornecida a empresas e fogares. A forma de onda habitual dun circuíto de alimentación de CA é unha onda sinusoidal, aínda que algunhas aplicacións utilizan formas de ondas alternativas, como a triangular ou a onda cadrada. Os sinais de son e radio transportadas por cables eléctricos tamén son exemplos de corrente alterna. Un obxectivo importante nestas aplicacións é a recuperación da información codificada (ou modulada) no sinal de corrente alterna.

Pola contra, a corrente continua (CC) refírese a un sistema no que o movemento da carga eléctrica vai nunha soa dirección (ás veces chamado fluxo unidireccional). A corrente continua é producida por fontes como baterías, termopares, célula solars, e máquinas eléctricas do tipo dínamo. A corrente alterna tamén pode converterse en continua mediante o uso dun rectificador. A corrente continua pode fluír nun condutor como un cable, pero tamén pode fluír a través de semicondutores, illantes, ou mesmo a través dun baleiro como en feixes de electróns ou ións. Un nome antigo para a corrente continua era corrente galvánica..[14]

Acontecementos

editar

Exemplos naturais observables de corrente eléctrica son os raios, descarga eléctrica estática e o vento solar, fonte das auroras polares.

A corrente eléctrica producida polo home é o fluxo de electróns de condución en cables metálicos, como as liñas eléctricas aéreas que transportan enerxía eléctrica a través de longas distancias e os cables máis pequenos dos equipos eléctricos e electrónicos. As correntes de Foucaults son correntes eléctricas que se producen en condutores expostos a campos magnéticos cambiantes. Do mesmo xeito, prodúcense correntes eléctricas, especialmente na superficie, de condutores expostos a ondas electromagnéticass. Cando as correntes eléctricas oscilantes flúen co ás voltaxes correctas dentro das antenas de radio, xéranse ondas de radio.

En electrónica, outras formas de corrente eléctrica inclúen o fluxo de electróns a través de resistencias ou a través do baleiro nun tubo sen carga, o fluxo de ións dentro dunha batería, e o fluxo de buracos dentro de metais e semicondutores.

Un exemplo biolóxico de corrente é o fluxo de ións en neuronas e nervios, responsables tanto do pensamento como da percepción sensorial.

Métodos de medición

editar

Como toda corrente produce un campo magnético asociado, podemos tentar medir este campo para determinar a intensidade da corrente. O efecto Hall, a bobina de Rogowski e sensores poden ser de grande axuda neste caso.

 
Modelo de demostración dun amperímetro de ferro móbil. Ao aumentar a corrente que pasa pola bobina, o émbolo introdúcese máis na bobina e a agulla desvíase cara á dereita.

Para medir a corrente, pódese utilizar un amperímetro, este nome vén do amperio que é a unidade en que se mide a corrente eléctrica. Para efectuar a medida da intensidade da corrente circulante, o amperímetro debe situarse en serie, é dicir, nunha configuración de conexión na que os bornes ou terminais dos dispositivos se conectan secuencialmente, para que o dispositivo sexa atravesado pola corrente. A pesar de práctico, isto pode levar a unha interferencia excesiva no obxecto de medición, como por exemplo, desmontar unha parte dun circuíto que non podería desmontarse. Isto implica que o amperímetro debe posuír unha resistencia interna o máis pequena posible, para que non produza unha caída de tensión apreciable. Para iso, no caso de instrumentos baseados nos efectos electromagnéticos da corrente eléctrica, estarán dotados de bobinas de fío groso e con poucas espiras. Nalgúns casos, para permitir a medida de intensidades superiores ás que poderían soportar as bobinas e os órganos mecánicos do aparello sen destruírse, dótaselles dunha resistencia de moi pequeno valor colocada en paralelo coa bobina, de modo que soamente pasará por esta unha fracción da corrente principal. Esta resistencia adicional recibe o nome de shunt.

A corrente eléctrica tamén pode medirse directamente cun galvanómetro, pero este método implica romper o circuíto eléctrico, o que ás veces resulta inconveniente.

A corrente tamén pode medirse sen romper o circuíto detectando o campo magnético asociado á corrente. Os dispositivos, a nivel de circuíto, utilizan varias técnicas para medir a corrente:

Quecemento resistivo

editar
Artigo principal: Efecto Joule.

O quecemento Joule, tamén coñecido como quecemento óhmico e quecemento resistivo, é o proceso de disipación de enerxía.[17]:36 polo cal o paso dunha corrente eléctrica a través dun condutor aumenta a enerxía interna do condutor,[18]:846 convertendo traballo termodinámico en calor.[18]:846, fn. 5 O fenómeno foi estudado por primeira vez por James Prescott Joule en 1841. Joule mergullou un arame nunha masa fixa de auga e mediu o aumento de temperatura debido a unha corrente coñecida a través do arame durante un período de 30 minutos. Variando a corrente e a lonxitude do arame deduciu que a calor producida era proporcional ao cadrado da corrente multiplicada pola resistencia eléctrica do arame.

 

Esta relación coñécese como lei de Joule.[17]:36 A unidade SI de enerxía denominouse posteriormente Joule e déuselle o símbolo J.[19]:20 A unidade de potencia comunmente coñecida no SI, o watt (símbolo: W), equivale a un Joule por segundo.[19]:20

Historia

editar

A utilización da tecnoloxía da corrente eléctrica comezou cara á metade do século XIX co telégrafo e a galvanización, para as dúas aplicacións utilizábase a potencia que fornecían as primeiras baterías. En 1866 Werner von Siemens utilizou o principio da dinamo de Søren Hjorth para crear o primeiro xerador eléctrico comercial, que se vendía como máquina para a ignición a distancia das cargas explosivas. A partir de 1880 desenvolveu máquinas cada vez máis grandes para responder ás necesidades crecentes de enerxía eléctrica. Ao principio as redes de corrente eléctrica utilizabanse para prover electricidade para o alumado público ou doméstico con lámpadas de descarga, de arco ou de incandescencia. Outra das primeiras utilizacións da corrente eléctrica foi nos faros dado que as lámpadas eléctricas daban unha intensidade de luz superior ás antigas candeas ou lámpadas de queroseno. Como resultado da evolución da tecnoloxía apareceron as primeiras centrais eléctricas que ao principio se baseaban nas turbinas hidráulicas e os motores de vapor. A partir de principios do século XX a dispoñibilidade de turbinas de vapor de gran potencia fará que esta tecnoloxía convértase no principal medio de produción de corrente eléctrica.

Nos últimos anos do século XIX produciuse o que se chama a guerra das correntes, os contendentes eran o corrente continua e o corrente alterna, que se decantó en favor da corrente alterna. A corrente alterna é hoxe en día o xeito fundamental de transporte da enerxía eléctrica e ofrece grandes vantaxes:

  • Baixas perdas durante a transformación.
  • Gran rendemento e facilidade de transporte a grandes voltaxes e utilización de transformadores para entregar corrente adecuaao para ser utilizada nos fogares e a industria.
  • Os motores trifásicos, que só funcionan con corrente alterna, son robustos e non requiren conmutador.

Pero a corrente alterna tamén presenta algúns inconvenientes, por exemplo que a variación constante da tensión obriga a que os aparellos eléctricos sexan alimentados a través dun rectificador. Outro problema é a aparición de potencia reactiva á rede eléctrica, o que levou a partir da segunda metade do século XX á aparición das redes de transporte de corrente continua de alta tensión.

A corrente continua pode ser almacenada en acumuladores xunto coa rede ferroviaria (e tranviaria) constitúe un mercado interesante que xustifica a vixencia deste tipo de corrente. Desde o punto de vista de hoxe en día, ata baterías de gran tamaño serían demasiado pequenas para almacenar cargas importantes. O desenvolvemento da electrónica de potencia pode converter facilmente un tipo de corrente no outro, e podémolos atopar xuntos, por exemplo nos modernos trens multisistema.

Definición

editar

Sabemos que un condutor eléctrico está en equilibrio se o campo eléctrico é igual a cero en calquera punto dentro do condutor, é dicir, o potencial eléctrico é constante en todos os puntos do condutor. É evidente que se hai unha diferenza de potencial entre dous puntos do condutor, tamén haberá un campo eléctrico distinto de cero, e polo tanto unha corrente eléctrica. Esta diferenza de potencial chámase forza electromotriz e constitúe a base do funcionamento dos circuítos eléctricos e os campos electromagnéticos, xunto coa lei de Ohm e leis de Kirchoff.

A magnitude dunha corrente eléctrica a un punto determinado é a derivada con respecto ao tempo da carga eléctrica:

 

Formalmente escríbese como:

  ou de maneira inversa como  

A cantidade de carga Q que flúe por unidade de tempo t é I, que é a intensidade da corrente. A intensidade da corrente eléctrica a pesar de ter unha intensidade, unha dirección e un sentido é unha cantidade escalar, porque se suma de xeito escalar como o demostra a lei dos nos. Non obstante a densidade da corrente está vinculada a unha magnitude vectorial chamada densidade de corrente.

O campo eléctrico realiza un traballo sobre as cargas, prodúcese unha transferencia de potencia dende o campo cara ás cargas en movemento. Este traballo vén dada por:

 

A potencia desenvolvida polo campo eléctrico é entón:

 

Intensidade de corrente eléctrica

editar

O símbolo convencional para representar a intensidade de corrente eléctrica (isto é, a cantidade de carga Q que flúe por unidade de tempo t) é o I, orixinal da alemán Intensität, que significa intensidade.

 

A unidade padrón no SI para medida de corrente é o ampere. A corrente eléctrica é tamén chamada informalmente de amperaxe.

Unha cuestión que moitas veces chama a atención é a definición do ampere coma unidade fundamental, a partir da cal, multiplicando polo segundo (a unidade de tempo), se define o coulomb (a unidade de carga) coma unha unidade derivada. Isto é, considérase a corrente eléctrica como magnitude fundamental, e non así a unidade de carga eléctrica que deriva dela.

Corrente convencional (o sentido da corrente)

editar
 
Esquema que representa o sentido do fluxo dos portadores de carga positivos e negativos dentro dun condutor. As frechas vermellas grosas da dereita representan o sentido convencional.

A Corrente convencional definiuse, nos albores da ciencia da electricidade, como o fluxo de cargas positivas, é dicir, as cargas que se movían do polo positivo ao polo negativo. Nese momento aínda non se coñecía a estrutura dos átomos e non se podía imaxinar que nos condutores sólidos as cargas positivas están fortemente ligadas aos núcleos dos átomos e, xa que logo, non pode haber ningún tipo de fluxo de cargas positivas neste tipo de materiais. Con todo cando a física subatómica constatou este feito o concepto anterior era moi estendido e arraigado, sendo amplamente utilizado nos cálculos e na análise de circuítos.

Por esta razón histórica este sentido segue sendo utilizado hoxe en día e recibe o nome de sentido convencional de circulación da corrente eléctrica. En calquera tipo de condutor flue no sentido oposto ao fluxo neto das cargas negativas ou no sentido do campo eléctrico establecido polo condutor. Na práctica calquera corrente eléctrica pode ser representada como un fluxo de portadores de carga positiva sen que iso derive na aparición de erros de cálculo ou de calquera outro problema práctico.

En condutores metálicos, como fíos, as cargas positivas non se moven, e polo tanto, apenas as cargas negativas flúen, en sentido contrario á corrente convencional, pero isto non é o que acontece na maioría dos condutores non-metálicos. Noutros materiais, partículas cargadas flúen en ambas direccións ao mesmo tempo. Nas solucións químicas, a corrente pode derivarse polo movemento de ións, tanto positivos como negativos. As correntes eléctricas no plasma consisten tanto no fluxo de electróns como no de ións negativos. No xeo e en certos electrólitos sólidos, o fluxo de protóns constitúe a corrente eléctrica. Para simplificar esa situación, a definición orixinal da corrente convencional aínda permanece.

Tamén temos casos onde son electróns (cargas negativas) os que se están a mover, aínda que é máis sensato falar de ocos ou lacunas positivos a se moveren. Isto é o que acontece en semicondutores do tipo p.

A velocidade da corrente eléctrica

editar

As partículas cargadas que se moven causando corrente eléctrica non sempre o fan en liña recta. Nos metais, por exemplo, seguen uns camiños desordenados, pulando dun átomo para outro, mais xeralmente impulsadas na dirección do campo eléctrico. A velocidade coa cal se puxan pódese calcular pola ecuación:

 

onde

I é a intensidade de corrente
n é o número de partículas cargadas por unidade de volume
A é a área da sección transversal do condutor
v é a velocidade das partículas cargadas
Q é a carga dunha partícula (carga elemental).

Densidades de corrente

editar

Densidade superficial

editar

A corrente eléctrica I relaciónase coa densidade superficial de corrente eléctrica K a través da fórmula

 

onde, no SI,

dI é a intensidade diferencial de corrente medida en amperes
K é a "densidade superficial de corrente" medida en amperes por metro
dl é a liña diferencial normal á dirección da corrente, medida en metros

A densidade superficial de corrente pódese definir tamén a partir do estado de movemento das partículas cargadas que a xeran, como a integral sobre as partículas:

 

onde

n é a densidade de partículas (número de partículas por unidade de superficie)
Q é a carga
v é a velocidade media da partícula en cada volume

Densidade volumétrica

editar

Do mesmo xeito a corrente eléctrica I relaciónase coa densidade volumétrica de corrente eléctrica K a través da fórmula

 

onde, no SI,

J é a "densidade volumétrica de corrente" medida en amperes por metro
dI é a intensidade diferencial de corrente medida en amperes
dA é a área ou sección diferencial a través da cal a corrente circula, medida en metros cadrados

Pódese definir tamén como:

 

onde

n é a densidade de partículas (número de partículas por unidade de volume)
Q é a carga
v é a velocidade media da partícula en cada volume

A Densidade de corrente é de importante consideración en proxectos de sistemas eléctricos. A maioría dos condutores eléctricos posúen unha resistencia positiva finita, facéndoos entón disipar potencia na forma de calor. A densidade de corrente debe permanecer suficientemente baixa para previr que o condutor funda ou queime, ou que o illamento do material caia. En supercondutores, unha corrente excesiva pode xerar un campo magnético forte abondo para causar perda espontánea da propiedade de supercondución.

Electromagnetismo

editar

Calquera corrente eléctrica produce un campo magnético, que se pode representar como un conxunto de liñas de campo circulares que rodean o fío condutor.

A corrente eléctrica pódese medir directamente cun galvanómetro, pero este método comporta romper o circuíto, o que ás veces é un inconveniente. Para evitar cortar o circuíto, pódese utilizar a detección do campo magnético que xera. Os aparellos que utilizan este método son, entre outros, os sensores de efecto Hall ou a bobina de Rogowski.

Electroimán

editar
 
O campo magnético é producido por unha corrente eléctrica nun solenoide.

Nun electroimán, unha bobina de arames compórtase como un imán cando circula por ela unha corrente eléctrica. Cando se desconecta a corrente, a bobina perde inmediatamente o seu magnetismo.

A corrente eléctrica produce un campo magnético. O campo magnético pode visualizarse como un patrón de liñas de campo circulares que rodean o arame e que persiste mentres haxa corrente.

Indución electromagnética

editar
Artigo principal: Indución electromagnética.
 
A corrente eléctrica alterna flúe a través do solenoide, producindo un campo magnético cambiante. Este campo fai que flúa unha corrente eléctrica no bucle de arame por indución electromagnética.

Os campos magnéticos tamén poden utilizarse para producir correntes eléctricas. Cando se aplica un campo magnético cambiante a un condutor, indúcese unha forza electromotriz (FEM),[18]:1004 que inicia unha corrente eléctrica, cando existe un camiño axeitado.

Ondas de radio

editar
Artigo principal: Ondas de radio.

Cando unha corrente eléctrica flúe nun condutor de forma adecuada a radiofrecuencia, pode xerar ondas de radio. Estas viaxan á velocidade da luz e poden provocar correntes eléctricas en condutores distantes.

  1. O noso primeiro paso na análise é a suposición de direccións de referencia para as correntes descoñecidas.[10]
Referencias
  1. Electricidad y magnetismo, Volumen 2. Escrito por Edward M. Purcell en Google Books.
  2. Lowe, T. L.; Rounce, John (2002). Calculations for A-level Physics. Nelson Thornes. p. 2. ISBN 0748767487. 
  3. Berlin, Howard M.; Getz, Frank C. (1988). Principles of Electronic Instrumentation and Measurement. Merrill Pub. Co. p. 37. ISBN 0675204496. 
  4. Kumar, K. S. Suresh (2013). "Section 1.2.3". Electric Circuit Analysis. Pearson Education India. ISBN 978-9332514102. 'Current intensity' is usually referred to as 'current' itself. 
  5. Ampère, A-M (1822). "Recueil d'Observations Électro-dynamiques" (PDF) (en French). París: Chez Crochard Libraire. p. 56. Arquivado dende o orixinal (PDF) o 2011-07-24. 
  6. Electric Power 6. 1894. pp. 411, 1894. 
  7. 7,0 7,1 Avison, John (2014). The World of Physics. Thomas Nelson and Sons. p. 221. ISBN 9780174387336. 
  8. 8,0 8,1 McComb, Gordon; Boysen, Earl (2005). Electronics For Dummies. Wiley. p. 12. ISBN 9780764597190. 
  9. Kumar, K. S. Suresh (2008). Electric Circuits & Networks. Pearson Education India. pp. 26–28. ISBN 978-8131713907. 
  10. 10,0 10,1 Hayt, William (1989). Engineering Electromagnetics (5th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0070274061. 
  11. Consoliver, Earl L.; Mitchell, Grover I. (1920). Automotive ignition systems. McGraw-Hill. p. 4. lei de ohm corrente proporcional tensión resistencia. 
  12. Robert A. Millikan e E. S. Bishop (1917). Elements of Electricity. American Technical Society. p. 54. Corrente da lei de Ohm directamente proporcional. 
  13. Oliver Heaviside (1894). Electrical papers 1. Macmillan and Co. p. 283. ISBN 978-0-8218-2840-3. 
  14. Andrew J. Robinson; Lynn Snyder-Mackler (2007). Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing (3rd ed.). Lippincott Williams & Wilkins. p. 10. ISBN 978-0-7817-4484-3. 
  15. "What is a Current Sensor and How is it Used?". Consultado o 2 de novembro do 2023. 
  16. Friedrich, Andreas P.; Lemme, Helmuth (2000-05-01). "The Universal Current Sensor". Fierce Electronics. Arquivado dende o orixinal o 2016-03-04. Consultado o 2 de novembro do 2023. 
  17. 17,0 17,1 Jaffe, Robert L.; Taylor, Washington (2018). The physics of energy. Cambridge University Press. 
  18. 18,0 18,1 18,2 Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Thomson Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7. 
  19. 19,0 19,1 International Bureau of Weights and Measures, ed. (2019). Le Système international d'unités [The International System of Units] (PDF) (en en francés e inglés) (9a ed.). ISBN 978-92-822-2272-0. 

Véxase tamén

editar

Outros artigos

editar